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钙钛矿太阳能电池运行的太空环境考量综述
日期:2026-01-28浏览量:525
钙钛矿太阳能电池凭借其高效率、轻质及带隙可调等优势,成为深空探测、大型空间能源系统的有力候选。然而,太空环境复杂多变,不同轨道与地外场所(如低地球轨道、月球、火星等)的环境压力差异巨大,严重威胁电池的长期稳定性与发电效能,必须针对具体任务剖面进行器件与封装设计。美能温湿度综合环境试验箱专为验证评估组件或材料的可靠性,能达到快速升温降温,提升测试效率,满足IEC61215等标准。
本文系统综述了低地球轨道、地球同步轨道、月球、火星及星际空间等不同任务环境中,影响钙钛矿光伏电池性能与耐久性的关键因素,包括热循环、辐射、真空、原子氧、空间天气及机械应力,并为面向太空应用的设计与测试提供指导。
热环境与太阳辐照
太阳系中相关行星体及轨道的环境温度范围(°C)与对应太阳辐照度(W/m²)
太阳能电池堆栈各组件达到机械失效前的热循环次数。插图为建模的光伏器件各层示意图
总体特性:钙钛矿电池对温度敏感,其电学性能(如开路电压、填充因子)随温度变化呈现与传统半导体不同的趋势。
LEO:经历频繁的日照-阴影交替,温度在约-80°C至100°C之间剧烈循环,对材料热匹配及涂层结合力构成考验。
GEO:辐射加热为主,存在每年两次的“食季”,温度循环幅度大(-196°C至128°C)。
月球:昼夜温差极大(约-180°C至120°C),月昼持续约14地球日。
火星:平均温度低(约-65°C),大气稀薄,风速与灰尘影响电池温度。
星际空间(LILT):辐照度极低、温度极低(如木星轨道约-125°C至140°C),但钙钛矿在此环境下表现出良好的电学稳定性。
电离辐射与等离子体效应
基于空间环境信息系统(SPENVIS)模拟的年注量,作为(A)质子能量和(B)电子能量的函数
使用SPENVIS为一项15年地球静止轨道任务(基于AE-8 MAX模型轨道平均通量)生成的捕获电子能谱
任务结束时星际辐射剂量估算
辐射来源:包括银河宇宙射线、捕获辐射带粒子、太阳高能粒子事件等,可引起材料原子位移(NIEL)或局部电离加热(IEL)。
辐射耐受性:钙钛矿电池对质子、电子辐射显示出一定的耐受性甚至自修复能力,但现有航天光伏辐射测试标准(如AIAA S-111)需针对钙钛矿材料体系重新评估等效损伤剂量。
等离子体充电与电弧:尤其在LEO和GEO,高能电子撞击可导致航天器及电池阵充电,引发一次电弧或由光生电流维持的二次电弧,造成永久性损伤。设计时需控制串电压、采用封装或表面处理以抑制电弧。
真空效应
行星表面的大气压力(单位:大气压,atm)
核心风险:放气——有机组分或吸附气体的释放,导致材料性能退化、污染光学表面。
影响:加速钙钛矿分解、相分离及离子迁移,缩短器件寿命。
对策:优化材料选择、采用空间级封装剂密封器件是缓解真空负面影响的关键。
原子氧侵蚀
(A)原子氧与有机表面的基本相互作用示意图(B)原子氧密度随以下参数变化的函数:距地球(LEO)的高度和火星表面高度(黑色坐标轴),以及距木星(1 R_J = 69,911 km)的径向距离,针对木卫一和木卫二(红色坐标轴)
太阳周期引起的LEO(400公里圆轨道,倾角28.5度)中每年原子氧总含量的变化
危害:AO是LEO、火星高层大气及木星卫星附近的高活性物种,能氧化有机材料、侵蚀聚合物并粗糙化表面,严重降低光学与机械性能。
防护:使用致密的金属氧化物涂层(如SiOₓ)进行表面封装是最有效的防护手段。
空间天气与机械应力
不同卫星轨道相对于地球及地球电子辐射带的位置关系
全球沙尘暴期间笼罩火星的雾霾
空间天气:包括太阳耀斑、地磁暴等,可引发强烈辐射增加及高层大气密度上升,影响轨道器件热控与充电状态。
月尘与火星尘:
月尘:带电且棱角尖锐,易附着并划伤电池表面,降低透光性与散热。
火星尘:全球性沙尘暴可遮蔽阳光数月,导致光伏输出下降超80%;灰尘静电吸附亦难避免。
机械应力:发射振动、在轨展开、微流星体撞击、月震等均要求电池及阵列具备足够的机械坚固性。钙钛矿器件中,有机传输层和ITO电极常是机械薄弱环节。
钙钛矿光伏在太空应用中前景广阔,特别适合大面积、轻量化、高电压及深空低辐照任务,但其实际部署必须解决一系列环境适应性问题。为实现可靠运行,需遵循三大策略:首先,进行任务特异性设计,针对目标环境中的热、辐射、原子氧、粉尘等因素优化材料体系、电池结构和封装方案;其次,开展系统级验证,通过地面模拟与组合环境测试,重点攻克电弧、充电效应和粉尘沉积等系统性问题;最后,持续加强基础研究,深入揭示钙钛矿在太空环境下的退化与自修复机制,这不仅能提升其空间耐久性,也将推动地面光伏技术的进步。

联系电话:400 008 6690
美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器,能够实现多段温度编程,具有高精确度和良好的可靠性,满足不同气候条件下的测试需求。
▶温度范围:20 ℃~+130 ℃
▶温湿度范围:10 % RH~98 % RH(at+20 ℃-+85 ℃)
▶满足试验标准:IEC 61215、IEC 61730、UL 1703等检测标准
美能温湿度综合环境试验箱通过精确控制紫外辐照剂量与85°C/85%RH的湿热环境,为钙钛矿光伏组件的可靠性评估提供了关键测试条件,为其商业化应用提供了扎实的实验依据。
原文参考:Space environment considerations for perovskite solar cell operations: A review









































































